在過去十年里，碳纖維增強聚合物CFRP廣泛應用于建筑加固改造行業。國內外研究者對CFRP加固混凝土構件的力學及使用性能進行了大量的試驗研究與理論分析，已取得了一定的研究成果^[1]。然而，碳纖維加固混凝土結構耐火性能極差，主要有兩方面原因：①CFRP材料易燃；②CFRP材料所用膠粘劑多屬環氧類有機物，在溫度超過其玻璃化溫度時，膠粘劑軟化，喪失其傳遞纖維間剪力和與混凝土共同作用的基礎，造成CFRP強度和剛度降低^[2]。通常使用的熱固性樹脂范圍為65~150℃^[3]，更高的溫度下，達到膠粘劑的燃點，膠粘劑燃燒，造成火焰傳播和有毒煙氣產生。因此，到目前為止，CFRP常被用于橋梁結構或不需要抗火設計的建筑結構中，限制了其推廣和應用^[4]。我國執行的《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》中，由于缺乏CFRP防火問題的研究資料和實踐經驗，并未把加固后的防火處理作為重點。《建筑設計防火規范》也未對加固結構提出專門的防火措施，僅是籠統地要求“對于有防火要求的構件，應涂專門防火涂料或采用其它防火措施加以設計和施工”。由于缺乏可操作性，在我國現已加固的結構中，大多數僅在CFRP表面粉刷一層水泥砂漿，難以保證防火要求和火災下的結構安全性。因此，如何確定碳纖維加固鋼筋混凝土結構的防火保護方法以及準確評價其耐火性能和安全可靠性已成為一個亟待解決的問題。
    以往，國內外學者對普通鋼筋混凝土結構抗火性能進行了不少研究，在此不再贅述。本文在對國內外已有研究文獻分析的基礎上，以CFRP加固結構為研究對象，主要闡述了高溫下CFRP材料熱工性能和熱力學性能的變化規律，對CFRP加固混凝土構件火災試驗研究進行了較為系統的總結，指出了其中存在的某些有待完善的問題，并提出該領域進一步的研究方向。[-page-]
1CFRP材料的熱工性能和高溫下的力學性能
1.1 CNRP材料的熱工性能
    CFRP材料的熱工性能參數主要包括導熱系數、比熱、容重和熱膨脹系數等。
    導熱系數是決定CFRP材料以及其加固結構高溫下性能的主要參數，取決于組成CFRP復合材料各成分的熱傳導率。其中，主要影響因素有膠粘劑基體類型（主要有環氧樹脂、聚酯樹脂、酚醛樹脂等類型）和纖維與基體的體積比率等^[5]。文獻^[6]研究表明，FRP復合材料主要受樹脂基體傳熱速率的影響，不同類型的基體，FRP材料導熱系數不同，并且樹脂含量越高，導熱系數越小。由于FRP材料是用抗拉強度極高的纖維絲拉拔成型，并通過予張編制方法成型，形成單向排列以樹脂為基體的纖維復合材料。相關研究表明，各種FRP材料沿縱向（纖維方向）的導熱系數遠大于沿橫向（樹脂方向）的導熱系數。除此之外，由于碳纖維本身的高導熱率，CFRP復合材料的縱向導熱系數比GFRP和AFRP大的多^[5]。各種常見的FRP復合材料常溫下導熱系數見表1。

 
    Griffis等對早期應用于航天工業的CFRP材料的導熱系數（橫向）研究表明，初復合材料導熱系數為1.4W/m・℃，500℃時降低為0.2W/m・℃，500℃以后隨溫度的升高基本保持不變^[7]。圖1所示為CFRP導熱系數與溫度關系曲線。

    比熱是研究高溫下復合材料間熱量傳遞的重要參數，FRP材料的比熱由于組成纖維和樹脂含量的不同而在很大范圍內有變動^[5]。文獻[8]表明，室溫條件下，CFRP和GFRP（基體為環氧樹脂）的比熱均為800J/Kg・K，而溫度升高至170℃，其值分別升高為1450J/Kg・K和1300J/Kg・K。文獻[20]對CFRP的比熱進行了更加全面的研究，溫度低于325℃時，比熱值增長緩慢；325~343℃之間，比熱值增長迅速；溫度大于510℃以后，比熱值開始下降。圖2所示為CFRP比熱與溫度關系曲線。[-page-]

    文獻[7]研究還表明，在510℃以內，CFRP復合材料容重基本不變；510℃以后，復合材料外層膠粘劑加劇分解揮發，CFRP復合材料容重有所下降。圖3所示為CFRP容重與溫度關系曲線。

     CFRP材料的熱膨脹系數也是影響加固結構耐火性能的重要參數。文獻[9]研究表明不同的纖維種類、不同的方向（縱向和橫向）、不同的纖維含量，FRP材料的熱膨脹系數變化很大。ACI 440 2R-02^[3]給出了三種常見FRP材料的熱膨脹系數，如表2所示。
    從表2可以看出，CFRP材料的縱向熱膨脹系數αL接近為0，同混凝土相差較大，高溫條件下增加了CFRP與混凝土之間的剪切應力，極易造成CFRP材料與混凝土的粘結失效。

1.2 高溫下CFRP材料的力學性能
    (1)高溫下碳纖維的力學性能
    碳纖維絲在絕氧情況下具有極佳的耐熱性(可耐2000℃高溫)，它的升華溫度高達3650℃左右。但在有氧情況下,當溫度高于400℃時即發生明顯氧化。當其暴露在600℃的空氣中10min后，纖維大部分被氧化,強度下降^[10]。
    Bisby在總結前人試驗數據結果的基礎上，給出了高溫下各類纖維的力學性能隨溫度的變化規律^[9]，折減系數為高溫下的纖維強度與常溫下纖維強度之比，如圖4所示。由圖4可以看出，高溫絕氧條件下碳纖維絲強度基本保持不變。

    (2)高溫下膠粘劑的力學性能[-page-] 
    高溫下結構膠粘劑達到其玻璃化溫度Tg時，膠粘劑軟化，其粘結強度顯著下降。E. L. Klamer^[11]以及吳波^[12]分別通過面內剪切試驗研究了結構膠在-10~120℃之間其極限粘結強度隨溫度的變化規律。
    E. L. Klamer^[11]試驗研究表明，在-10 ~40℃時，一般FRP與混凝土粘結的剝離破壞發生在FRP端部以下的表層混凝土中。溫度稍高時，在50~75℃時，這種剝離破壞就發生在FRP與混凝土的界面處膠層內。同時由試驗結果可以看出，40℃時發生剝離破壞的極限荷載比常溫時有所增加，其后顯著下降，60℃時發生剝離破壞的極限荷載約為常溫時的70％。
    我國學者吳波對CFRP配套膠粘劑的高溫下剪切試驗研究^[12]同樣表明，40℃時膠粘劑同混凝土之間的剪切強度有所升高，60℃后下降明顯，其試驗結果以及所給的擬合曲線如圖5所示。

    本文作者在總結前人研究成果的基礎上，認為試驗測定40℃時膠粘劑剪切強度升高的原因在于CFRP材料本身的縱向熱膨脹系數接近0，稍微升溫時，其膨脹性能與混凝土的差異對混凝土產生“約束”作用，這種“約束”作用對剪切強度的提高貢獻值大于溫度引起的剪切強度降低的影響。
    （3）高溫下CFRP材料的力學性能
     加拿大Queen’s University的Bisby^[9]在其博士論文中整理各種FRP材料的高溫下抗拉性能和彈性模量隨溫度的變化規律，并通過小二乘回歸分析，得到了一個S型函數擬合各種FRP材料的高溫性能，離散性較大。其中CFRP高溫下的抗拉強度和彈性模量隨溫度變化曲線分別如圖6和圖7所示，比值為高溫下試驗值與常溫下試驗值之比。

      我國學者吳波等^[12]在恒溫爐中進行了7組CFRP布試樣的拉伸試驗，所得高溫下CFRP布拉伸強度隨溫度的變化關系見圖8。試樣全部是因CFRP布被拉斷而破壞，其破壞形式主要有三種：①CFRP布在端部被拉斷；②CFRP布在中部被拉斷；③CFRP布整體碎斷。三種破壞形式都是脆性破壞，沒有明顯的塑性發展。

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      從圖6和圖8可以看出，二者模型結果相差較大，這主要是由于Bisby模式試件數據多為CFRP筋高溫下的力學性能，而吳波模式為CFRP布高溫下的力學性能。由前述可知，CFRP極易氧化造成炭化變脆，其拉伸強度顯著降低，吳波試驗正是如此，從文獻[12]的試驗現象可以看出，CFRP布試件破壞時已完全炭化變黑。而在測試CFRP筋的抗拉強度的試驗過程中，由于外層少部分CFRP炭化，阻止了內部碳纖維的炭化，因此Bisby模式所得到的抗拉強度較高。
2 CFRP加固構件火災試驗研究與存在的問題
    早進行CFRP加固構件的火災試驗是由瑞士Deuring教授^[5]于1994年完成的，在ISO834標準升溫條件下進行6根CFRP加固混凝土梁的對比試驗，1根未加固，1根粘鋼加固，1根采用普通膠粘貼的CFRP板加固梁（無防火保護）、2根采用普通膠粘貼的CFRP板加固梁（有防火板保護）、1根采用耐熱粘貼劑粘貼的CFRP板加固梁。試驗結果表明，粘鋼加固梁受火后7~9min粘結失效；無防火保護的CFRP加固混凝土梁在81min后失效，而采用40mm厚防火板進行防火保護的CFRP加固混凝土梁，混凝土和碳纖維粘結處在很長時間內處于低溫狀態，CFRP材料大約在1h左右達到玻璃化溫度Tg。其耐火極限能夠達到146min，是未經過防火保護的1.8倍。
    隨后，Ghent University的Blontrock等人^[2]進行了一系列加固梁的耐火試驗。試件矩形梁采取了相應的防火保護措施，每根梁的保護厚度、位置（在底部或側面）、防火板錨固方式（粘貼或機械錨固）、長度（通長或僅僅在錨固區）各不相同。試驗研究表明，一根采用粘貼硅酸鈣板保護梁在受火7min后，其粘結失效，而采用機械錨固的梁在受火45min后粘結失效。研究還表明，U型（梁底和兩側）防火保護為CFRP加固梁提供更好的耐火性能，降低了CFRP材料和鋼筋火災下的溫度，從而降低了構件的整體撓度。Blontrock等人^[3]還進行了CFRP加固混凝土板的火災試驗，采取礦毛絕緣纖維(rockwool)和粘貼石膏板進行防火保護，試驗后55min左右CFRP和混凝土的粘結喪失（此時膠粘劑溫度為47~63℃）。
    加拿大的研究委員會的Kodur與Queen’s University Bisby等人和一些企業合作伙伴開展了CFRP加固混凝土柱、梁、板的耐火試驗研究^[9,13~15]。他們使用了一種專利涂料，試驗表明可以應用于CFRP加固結構的防火保護。涂料采用雙層體系，與CFRP直接接觸的是VG層，又稱惰性層，重量輕，隔熱性能好，與CFRP有較強的粘結性能，可直接噴射使用。外面一層為EI層，又稱膨脹層，在高溫下可以發泡膨脹。
    他們采用這種防火涂料保護CFRP加固的混凝土柱、梁和板，并在ASTM E119標準升溫曲線下進行了一系列火災試驗。結果發現，不承擔任何外荷載的加固板底面涂抹19mm厚VG層和0.25mm厚EI層，耐火極限長達2.2h。而涂抹38mm厚VG層和0.25mm厚EI層的CFRP加固板，在試驗的整個4h內防火涂料一直保持完整。在加固梁耐火試驗中，梁1采用25mm VG保護，梁2采用38mm VG保護，外層均采用0.13mm的EI-R保護。試驗表明兩根梁的耐火極限都超過了4h，分別在36min和52min梁1（25mm VG）和梁2（38mm VG）結構膠粘結劑溫度超過CFRP玻璃化溫度（此處Tg測定為93℃）,因此以Tg作為耐火極限的判定溫度過于保守。同時采用SAFIR軟件計算構件在標準升溫曲線下的溫度場和初步的結構響應分析,吻合較好。Kodur等人還進行了兩根圓形截面柱和一根方形截面柱的耐火試驗，圓柱的防火保護分別為32mm厚VG層、0.56mm厚EI層和57mm厚VG層、0.25mm厚EI層，耐火極限都達到5.5h。方柱的防火保護為38mm厚VG層、0.25mm厚EI層,耐火極限達到了4.25h。FRP層的溫度在試驗開始后的15~45min內升高相當快，然后升溫速率降低，出現了一個接近100℃的溫度水平段。涂抹了57mm厚VG層的圓柱因隔熱層較厚，溫度平臺持續時間長達3h。而方柱的CFRP層溫度在試驗過程中持續上升且無溫度平臺出現，CFRP層在大約40min時超過100℃。
    國內同濟大學胡克旭和高皖揚^[1,9]對CFRP加固鋼筋混凝土梁防火方法進行了初步研究，試驗設計了兩根CFRP加固梁，梁1采用50mm厚SJ2厚型鋼結構防火涂料進行全長U型保護，梁2采用40mm厚硅酸鈣防火板進行全長U型保護。兩根梁均取得了大于2h的耐火極限，滿足《建筑設計防火規范》的要求。基于ANSYS,文獻[1]建立了加固梁非線性有限元分析模型，實現了火災下加固梁的熱―力學耦合全過程分析并分析了防火保護層厚度與導熱系數等因素對加固構件溫度場和高溫下變形反應的影響，在此基礎上對CFRP加固鋼筋混凝土結構的防火保護方法提供了一些有意義的建議。
    對于CFRP加固混凝土結構的防火研究，國內起步較晚，進行的零星研究尚不系統，加固結構的防火保護方法尚不成熟，進一步研究CFRP加固鋼筋混凝土結構防火方法和高溫（火災）下的受力性能及破壞機理還存在許多問題，主要表現在以下3個方面：
    (1)對CFRP加固構件的瞬態溫度場計算、高溫下的承載力和變形的有限元分析，尚未見較成熟可行的計算方法和理論。Kodur及Bisby等人對加固柱及梁構件的承載力分析僅在ACI440規范設計計算式中引入FRP材料強度折減系數，計算高溫下構件的承載力與反應。高溫下CFRP材料逐漸退出工作，主要原因有兩方面：①雖然有防火保護時碳纖維絲處于隔氧狀態，有極佳的耐熱性，但稍微升溫下纖維絲間膠粘劑軟化，喪失其傳遞纖維間剪力和防止纖維屈曲的作用，造成CFRP材料強度和剛度的降低；②由于CFRP材料同混凝土間膠粘劑軟化，CFRP產生滑移喪失與混凝土共同作用的基礎。但目前研究未見高溫下CFRP材料與混凝土之間粘結滑移界面性能的研究，因此文獻[1]引入折減系數近似考慮CFRP與混凝土之間的粘結滑移性能，建立了CFRP實際承載力抗拉強度模型，并基于AN-SYS建立非線性有限元模型，實現了火災下加固梁的熱-力學耦合全過程分析，同時分析了防火保護層厚度及導熱系數對加固梁耐火極限的影響。
    (2)現有的火災試驗主要研究加固構件的耐火性能，由于構件的相互作用，因此受火構件的熱變形對其他構件產生影響，并存在較大的內力重分布，目前尚無這方面的專門研究。
    (3)有防火保護的加固構件火災后有一定的剩余承載力，但目前未見這方面的研究。高溫后CFRP材料性能以及加固構件剩余承載力的研究，是進行災后結構的損傷分析和制定加固或拆除決策的基礎，因此這方面的研究也是非常有意義的。[-page-]
4 CFRP加固混凝土結構火災研究有待進一步開展的工作
    盡管我們在CFRP加固構件火災試驗和耐火極限分析方面開展了一些研究，但對掌握和全面了解CFRP加固混凝土火災反應特性并基于此確定其防火設計方法，仍有許多工作有待于完善和進一步的開展，主要體現在以下方面：
    (1)CFRP材料的性能研究
    目前關于CFRP材料熱工性能和高溫下力學性能的研究很少，且部分研究成果離散性較大，對高溫下材料的性能仍然有待于進一步研究。同時應加強高溫下CFRP材料與混凝土界面粘結性能和破壞機理的研究，確定高溫下CFRP材料與混凝土間的界面模型，以便進行更為精確的非線性有限元分析。
    (2)影響參數的深入分析
    完善另一些影響基于加固構件耐火極限的參數分析，如混凝土強度、梁的截面形式、尺寸和跨度等對耐火極限的影響分析。在此基礎上推導出加固構件耐火極限的簡化計算公式，便于工程應用。
    (3)CFRP加固混凝土結構體系在火災下的性能研究
    目前，對CFRP加固混凝土結構火災下的性能研究主要集中在基本構件方面，而對由CFRP組成的梁或柱等形式的框架結構火災下的性能研究國內外尚未見到報道。在火災情況下，由于組成框架的梁柱間相互約束，將使框架產生內力重分布，從而可能危機結構的安全。因此，應開展這方面的研究，并提供合理的CFRP加固混凝土結構的耐火設計方法。
    (4)CFRP加固混凝土結構在火災后的性能研究和加固決策研究
    即便有防火保護，火災發生后CFRP材料不會燃燒，但是CFRP同混凝土之間產生不可逆轉的滑移。文獻[1]試驗證明，在試驗后期CFRP材料同混凝土之間滑移很大，局部同混凝土完全失去粘結。因此火災后CFRP加固混凝土構件的剩余承載力研究顯得尤為重要，且在此基礎上的加固決策研究也非常有意義。是否可以在災后鏟除原先加固的CFRP材料，重新粘貼CFRP材料，以達到修復補強的目的等，這些都是CFRP加固混凝土結構耐火研究重要課題。
                    參考文獻
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